無人機技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應用前景

劉美玲　羅克菊　陳誠　曹楠

摘 要：近幾年環(huán)境問題越來越受到重視，同時隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測部門嘗試將無人機技術(shù)應用到環(huán)境監(jiān)測。它在大氣監(jiān)測、森林防火、水土保持等方面具有更大的監(jiān)測優(yōu)點，有利于提高監(jiān)測效率。本篇文章基于環(huán)境監(jiān)測的角度，探討無人機技術(shù)在這一方面的應用，介紹大氣環(huán)境質(zhì)量檢測、森林防火檢測、水土保持監(jiān)測等方面的應用。希望本文的研究能夠為讀者提供有益參考。

關(guān)鍵詞：無人機；環(huán)境監(jiān)測；遙感技術(shù)

中圖分類號：P627 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0007-02

我國過去幾十年的大發(fā)展是以犧牲環(huán)境為代價的發(fā)展模式，近幾年的空氣污染、異常天氣問題，就是環(huán)境遭到破壞的集中反映。為了響應國家環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，環(huán)保部門加強了環(huán)境監(jiān)測工作，通過獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)制定更具針對性的環(huán)保措施。為了加強環(huán)保的力度，采用無人機技術(shù)應用到相關(guān)環(huán)保工作中，以科技促進環(huán)境保護。

1 無人機運作概述

所謂無人機技術(shù)，是指將傳感、遙測遙控、通訊、GPS定位等技術(shù)整合的綜合系統(tǒng)，通過無人機各零部件的配合，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿铡鞲衅魇菬o人機的重要部件，隨著技術(shù)的進步和發(fā)展，它呈現(xiàn)著大面積、數(shù)字化、多光譜的發(fā)展趨勢，通過這些改進強化了數(shù)據(jù)采集精度。

無人機的運轉(zhuǎn)主要有三大部分，即前期內(nèi)、外業(yè)以及后期內(nèi)業(yè)。其中前期內(nèi)業(yè)主要由遙感監(jiān)測系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等組成，以此保障前期外業(yè)執(zhí)行的基礎(chǔ)條件；前期外業(yè)，主要是信息數(shù)據(jù)收集的過程，通過人工或自動控制，在特定范圍內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務，搭配GPS定位技術(shù)，確保無人機飛行方向正確；后期內(nèi)業(yè)，主要是根據(jù)前期外業(yè)的數(shù)據(jù)，進一步分析和整理采集數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)結(jié)果作出方案[1]。

采用無人機具有不受空間、地形限制的優(yōu)勢，比起傳統(tǒng)的人工環(huán)境監(jiān)測，其監(jiān)測效率和可操作性更強，獲取的信息也相對更準確。無人機的監(jiān)測面積覆蓋廣，并且機身小巧、便于攜帶。無人機有充電和加油兩種供能方式，根據(jù)監(jiān)測站的條件和需要決定。部分機型的無人機，為其添加3kg的油，其續(xù)航時間達到10h。此外，無人機還朝著智能化、自動化的趨勢發(fā)展，在未來無人機不僅能夠幫助監(jiān)測人員采集特殊地形的位置，同時還能根據(jù)監(jiān)測需要，同步分析和整理所需數(shù)據(jù)。

2 無人機應用存在的不足

首先是設(shè)計問題，由于無人機基礎(chǔ)便攜性考慮，通常設(shè)計較小的體積，當其飛行到一定高度后，大風以及突發(fā)天氣，都會影響其環(huán)境監(jiān)測和飛行效果。但是增大增重無人機，那么其耗能也隨之增加，續(xù)航時間也因此變短。

其次是數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，固定在無人機的數(shù)碼相機所收集的數(shù)據(jù)還不夠精確，呈現(xiàn)一些數(shù)據(jù)誤差，未能滿足特定監(jiān)測任務。采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差，會影響繪制圖像的精確性。無人機企業(yè)將提高采集數(shù)據(jù)的準確度和傳輸效率，作為無人機下一階段的發(fā)展重點。

最后是數(shù)據(jù)處理技術(shù)，由于無人機是新興事物，對于環(huán)境監(jiān)測功能開發(fā)還不夠完善?，F(xiàn)階段的無人機主要是將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并根據(jù)遙感影像進行數(shù)據(jù)處理。環(huán)境監(jiān)測人員還需要針對無人機反饋的數(shù)據(jù)，進行進一步糾偏和修正，如此才能得到較為準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)[2]。

3 無人機技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應用

3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測的應用

（1）配備可見光相機：目前針對大氣監(jiān)測的無人機，通常采用“無人機+可見光云臺”的形式，這種組合不僅應用范圍廣，并且取得的檢測效果也最好。相機本身的變焦功能，能夠在有限的飛行范圍內(nèi)，更大地擴展監(jiān)測可視范圍?？梢姽庀鄼C的應用場景，大部分被限制在白天或光線充足的夜晚，并且只有拍照和錄制視頻的功能，這種無人機配置不能為監(jiān)測者提供精準的數(shù)據(jù)支持。此外，這種無人機容易受到天氣的影響，僅能在污染物可見度高的情況下，監(jiān)測大氣中的污染物，監(jiān)測功能較為單一。常規(guī)的可見光載荷，只能幫助監(jiān)測者發(fā)揮簡單的監(jiān)測作用，由于功能較少，因此很少在實際監(jiān)測任務中應用。

（2）紅外成像功能：將紅外成像功能安裝在無人機，能夠解決可見光無人機無法在夜間或光線不充足的監(jiān)控問題，擺脫了監(jiān)測時間的束縛。通過熱成像儀的熱分布可視化功能，能夠幫助工作人員進行測溫等操作，特別是在夜間，熱源干擾項較少的情況下，針對排污企業(yè)進行監(jiān)測，能夠更準確地發(fā)現(xiàn)污染源頭，并依靠無人機小巧的特點進行偷拍，以此掌握排污企業(yè)違規(guī)排污的證據(jù)[3]。

紅外成像功能在實際應用階段，受到的熱源干擾因素較多，部分無人機企業(yè)在構(gòu)件模型時，忽視了安裝紅外成像模塊的問題，在大氣監(jiān)測過程中沒能很好地聯(lián)系排放溫度與排放量，無人機采集、反饋的數(shù)據(jù)構(gòu)建計算模型困難，還需要工作人員進一步處理和分析熱成像數(shù)據(jù)。

（3）配備氣體傳感器：采用“無人機+氣體傳感器”的組合，在此無人機安裝多種因子的氣體監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)在測區(qū)最大范圍巡航。這種無人機配置測出的數(shù)據(jù)精度、準確度較高，更好地運用到大氣監(jiān)測中。

（4）數(shù)據(jù)可視化：大氣監(jiān)測主要集中在人員密集的區(qū)域，因此有執(zhí)法的時效性，部分企業(yè)在極短的時間內(nèi)違規(guī)排放廢氣，單靠傳統(tǒng)監(jiān)測方式，容易出現(xiàn)取證困難的問題。利用無人機傳感器，能夠采集到排放廢氣的各項數(shù)據(jù)，工作人員再將數(shù)據(jù)整理成Excel表格，由此得出監(jiān)測的企業(yè)是否存在違規(guī)排放的問題。采用數(shù)據(jù)可視化的解決方案，能夠工作人員實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并揭示氣體污染物遷移規(guī)律，為大氣監(jiān)測工作提供充足的數(shù)據(jù)支持，節(jié)省處理數(shù)據(jù)的時間和人力成本。

3.2 森林防火監(jiān)測的應用

針對森林防火監(jiān)測，主要在無人機上配備前視紅外線儀器、分辨率高的相機、攝像設(shè)備。搭載這些部件在設(shè)置的森林防火區(qū)域巡視，定期或不定期安排無人機執(zhí)行飛行任務，然后拍攝特定區(qū)域的森林圖像，并通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備上傳至林業(yè)監(jiān)控中心，以便工作人員發(fā)現(xiàn)森林一段時間內(nèi)的變化，發(fā)現(xiàn)其中可能發(fā)生火災的隱患，及時安排護林員進行防火處理。借助機身上前視紅外線儀器，能夠發(fā)現(xiàn)拍照或攝像期間的溫度情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相對比，工作人員獲知當時森林處理何種狀態(tài)。在森林發(fā)生火災時，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式由于煙霧太大，同時基于安全性的考慮，可安排無人機靠近監(jiān)測，并通過實時傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將火情反饋給林業(yè)部門監(jiān)控中心。如此制定出更行之有效的防火策略，安排消防人員及時采取有效措施，防止火勢蔓延。

比起人工巡視的效率和時間限制，無人機在巡視時間上有更大的優(yōu)勢，在確保供能（充電、燃油）的前提下，能夠安排多架無人機進行24小時巡視，實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給地面工作人員，在火災初期就采取有效的撲救措施。此外，無人機因其體積小的特點，可以靈活地調(diào)整飛行路線，根據(jù)監(jiān)測需要前往指定區(qū)域拍照或攝像，根據(jù)反饋的影像分析和發(fā)現(xiàn)可能存在的森林火災隱患。將無人機應用到火災補救指揮中，根據(jù)無人機反饋的信息，迅速高效組織和部署補救工作，并借助通訊設(shè)備通知在現(xiàn)場的消防人員，并根據(jù)影像資料規(guī)劃出安全的火場撤離路線，確保滅火、補救工作有序安全進行。

盡管盡管無人機在森林防火中有諸多優(yōu)點，但是還有一些缺陷需要改善，如提高無人機的抗風能力以及監(jiān)測圖像精度。對于年齡較大的護林員來說，無人機的操作相對復雜，因此在操作界面以及操作方式上，應進行簡易化處理，使之上手難度降低。在人、車無法到達的偏遠地區(qū)，部署一定數(shù)量的無人機，這樣才能及時發(fā)現(xiàn)森林火情，實時掌握林火態(tài)勢，以及獲取采取滅火、補救措施的所需信息。

3.3 在水土保持監(jiān)測的應用

（1）監(jiān)測內(nèi)容：水土保持檢測，主要利用無人機在測區(qū)內(nèi)對地形地貌、土壤情況、水土流失等情況進行調(diào)查，對于水土問題嚴重的區(qū)域還需要拍照以及定位坐標。通過這些調(diào)查工作了解水土流失問題的嚴重性。在水土治理區(qū)域，還可利用無人機檢測該區(qū)域的土方量、水土流失量等參數(shù)，并觀察水土保持工程的建設(shè)情況和效果。對于林草植被需要進行持續(xù)監(jiān)測，針對攔渣、土地防治、防洪疏導工程進行調(diào)查，確保采取的水土保持措施有效性，若是相應措施未能發(fā)揮應有作用，工作人員可以通過無人機反饋的信息，對其質(zhì)量進行綜合評估。

（2）遙測數(shù)據(jù)分析：利用無人機采集的遙感監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，對遙感結(jié)果進行簡單處理后，將平面布置圖、土地使用現(xiàn)況圖相疊加，以監(jiān)測區(qū)作為其中邊界線。根據(jù)水土保持項目各施工節(jié)點和水土保持監(jiān)測頻率，進行更加全面的二次遙測，并使用GIS軟件對遙測數(shù)據(jù)進行解譯，從中發(fā)現(xiàn)測區(qū)的臨時堆土、區(qū)域擾動面積的位置和數(shù)量，將其與植物水土措施的位置、數(shù)量整合。將這些數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)不同時段、不同測區(qū)的數(shù)據(jù)進行比對分析。將遙測數(shù)據(jù)建立DEM模型，用以檢測開挖土方量、填充土方量，然后再計算土方量。計算結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進行對比，由此得知水土保持工程期的土方量變化。水土流失量同樣可以用DEM模型計算，由此得到坡度分級信息，比對現(xiàn)有土壤侵蝕標準，估計監(jiān)測范圍的整體水土流失量。在水土工程完成后，再使用無人機進行全面的監(jiān)測，確保該工程效果符合工程設(shè)計。

（3）無人機水土保持監(jiān)測的應用趨勢：受限于無人機較小的體積和飛行高度，以及水土流失區(qū)域過于復雜的地形地貌，容易在執(zhí)行監(jiān)測任務時受到天氣的影響。針對這一問題，工作采用增加無人機荷載的方式提高抗風能力，但是這樣的配置又會降低其續(xù)航時間。因此在較短的監(jiān)測時間內(nèi)，要求工作人員快速處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其與高新科技結(jié)合，配合RS、GIS軟件以及遙測技術(shù)，通過無人機獲取監(jiān)測信息，利用GIS軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。通過這樣的軟、硬件改造，將監(jiān)測無人機改造成集監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和處理功能于一身的數(shù)據(jù)信息平臺。借助GIS軟件的模擬功能，建立反映水土保持狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫，方便監(jiān)測工作人員瀏覽、分析。

（4）在水環(huán)境監(jiān)測的應用：在水環(huán)境監(jiān)測中，水上無人機主要有以下應用。第一，進行安全采樣。通過無人機的運用，相關(guān)工作人員無需乘船到不同采樣點進行采樣，身在岸邊就能對無人機進行操作，使采樣的工作得以完成。第二，克服不利地形。通過無人機進行采樣，不但能使工作的效率得到提升，更加方便的進行部署，還能使工作的準備時間大大縮短，克服水上地形的不利干擾因素，讓工作設(shè)備的路徑保持直線，且性價比也更高，應用無人機大幅降低了水環(huán)境監(jiān)測開支。

4 結(jié)語

綜合上述，本文主要介紹了大氣、森林防火以及水土保持監(jiān)測幾個環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。借助無人機的機動性優(yōu)勢，幫助工作人員在地形地貌復雜的地區(qū)，更進一步地靠近監(jiān)測目標，獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。在應用過程中，無人機有抗風能力差、續(xù)航時間短的缺陷，在電池、材料學沒有大突破的前提下，其技術(shù)改進是通過提高其數(shù)據(jù)處理速度的方式，減少無人機的續(xù)航時間。

參考文獻

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